地質之謎:地球缺失長達10億年的岩石層

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【新唐人北京時間2021年09月28日訊】一個半世紀以前的一支美國探險隊在考察科羅拉多大峽谷期間,意外發現一宗神祕的失蹤事件,即地球失去了長達10億年時間的地質年代,而這一失蹤事件讓隨後的地質學家一直困擾到今天,科學界的爭論仍在進行中。

1869年,自學成才的獨臂地質學家約翰·威斯利·鮑威爾(John Wesley Powell)率領10人組成的一支小隊展開一項長達10個月的探險之旅。他們的任務很簡單,沿流經懷俄明州(Wyoming)科羅拉多河的支流格林河(Green River)順流而下1609公里,考察大峽谷(Grand Canyon),沿途記錄他們的發現。

雖然在探險過程中危機重重,但他們卻有幸目睹了很多自然奇觀,宏偉的懸崖、鬼斧神工的絕壁,以及千奇百怪、稜角分明、高聳入雲的高崖。但在所有這些自然奇景中,鮑威爾對懸崖尤其感興趣,他後來描述大峽谷懸崖為「眾神的圖書館」,是五顏六色岩層構成的「一本偉大著作的岩石書頁」,一行一行地閱讀這本書,可知地球形成的歷史。

但隨後鮑威爾在大峽谷絕壁仰望令人頭暈的高處時,發現了一些反常的東西。

站在懸崖底向上仰望,鮑威爾可以看到一大片堅硬的結晶岩石,大部分是花崗岩,以及片岩(即受到強烈壓力的板岩或頁岩),以不同尋常的垂直層狀排列。在結晶岩石層上面是305米厚的紅色砂岩帶,就像所期望的那樣呈現整齊的水平排列。

但這裡發現了一個問題。鮑威爾數過垂直結晶岩的層數後,估計這部分岩石本應該有3050米的厚度,但實際測量後卻發現只有152米厚。也就是說,整整二千多米厚的岩石竟然完全消失了。他將這一怪事稱為「地層大角度不整合」( The Great Unconformity)。

科羅拉多大峽谷的岩層。(公有領域)

現在的地質學家們都知道,堅硬的結晶岩石最年輕的也有17億年的歷史,而砂岩層中最古老的岩石最早則形成於5.5億年前。這意味著我們地球的地質記錄中有超過10億年是空白的。直到今天,沒有人知道中間這層岩石為何消失了。

地層不整合現象普遍存在

雖然岩層缺失在美國大峽谷特別明顯,但這種現象在全球都可以見到。
美國伊利諾伊大學地質學系名譽教授馬夏克(Stephen Marshak)對英國廣播公司(BBC)解釋說,在任何大陸的中心地帶,無論是美國、西伯利亞還是歐洲,如果向地層下鑽得足夠深,就會碰到這種神祕的兩岩石層不整合現象。「所以這個地質現象很普遍,這告訴我們地球歷史中有一個我們還未搞明白的,非常非常重要的故事。」

正如馬夏克所暗示的,要想弄清楚在這消失的10億年裡,地球發生了什麼事件,以及導致了什麼事件,這並非是無關緊要的一件小事。原因有二。

首先,這個地層不整合恰好發生在另一件令人費解的事件之前,即5.41億年前地球生命的多樣性突然爆發性的激增,這就是我們所稱的寒武紀生命大爆發(Cambrian explosion)。

寒武紀生命大爆發是指地質史這樣一個年代,原來海洋生命僅是零落分布怪異奇特,生物學很難分門別類的生物,比如狀似科幻片巨型三葉裂變植物的奇怪東西,以及如同壓扁了的巨大橢圓生物,但隨後突然之間豐富多樣的生物竟在海洋中出現,許多主要的生物門類至今仍然存在於地球上。而更神奇的是,這個生命的突然大爆發發生在1300萬年至 2500萬年前「一眨眼」的時間段內。

科學家們日前在加拿大洛磯山脈的伯吉斯頁岩中發現了一個已滅絕的寒武紀時期動物化石。圖為這一物種的正面復原圖。(J.-B. Caron and J. Moysiuk/Wikimedia Commons)

其次,有科學家認為地球在失去地質年代的10億年裡經歷了劇烈的氣候變化,可能變成了一個巨大的冰球,地球表面幾乎完全凍結。至於「雪球地球」(snowball Earth)如何形成,地球生命又如何活過10億年的嚴寒,目前科學界所知甚少。

然而,如果我們知道在這個史前黑暗時代發生了什麼,也許我們就能解答這些棘手的科學難題。

地層不整合現象的可能原因
理論一:雪球地球

關於長達10億年地質年代消失的原因,有一種觀點是受今天地球冰川狀況的啟示。比如說今天地球上第二大冰體格陵蘭冰蓋(Greenland Ice Sheet),這個巨大冰蓋覆蓋了格陵蘭80%的面積,大約170萬平方公里。

就像河流一樣,冰川也會移動,但移動得非常緩慢。冰川移動時,會逐漸沖刷掉冰層下的地表。如果這種情況持續數萬年甚至數百萬年,最終這種侵蝕會沖刷掉大量的岩石層。

雪球地球理論認為,當地球還是一個巨大的雪球時,格陵蘭冰川侵蝕地表的過程也適用於當時的整個地球表面。

美國新罕布什爾州(New Hampshire)達特茅斯學院(Dartmouth College)地球科學系的助理教授凱勒(C Brenhin Keller)帶領的研究小組猜測,這個開始於大約7.17億年前,結束於大約5.8億年前的前寒武紀大冰期,有能力將地表厚達3,000至5,000米的岩石層搬移原處,這一模式足以解釋地層大角度不整合現象。

理論二: 超級大陸(supercontinent)的死亡

另一種理論是,造成10億年岩層消失的罪魁禍首可能是羅迪尼亞(Rodinia)超級大陸。這是遠古時代曾出現過的超級大陸,結合了今天的南極洲東部、印度、西伯利亞、中國、南美洲、北美的一大塊地區和非洲的一部分,大約在10億年前形成,然後逐漸分裂,直到7.5億年前瓦解。

根據這一理論,羅迪尼亞超級大陸在長達2億年的時間裡應該看起來就像一個巨大無比、沒有任何生命的丘陵高原,而當時的生命仍然只局限於圍繞超級大陸的廣闊海洋中。最終導致10億年岩層被侵蝕到幾乎為零。

理論三:岩層消失不是源於單一事件

然後最新提出的一種理論是,長達10億年時間的岩層消失,只有兩種可能。一是沒有岩石沉積,一是所有岩石全部被移走,或者兩者都有。

最近科學家對環繞加拿大東北部哈德遜灣(Hudson Bay)的一大片裸露的古代岩石盤,即加拿大地盾(Canadian Shield)開展了一項研究,結果有了重大發現。

參與這項研究的科羅拉多大學(University of Colorado)地質科學系副教授弗勞爾斯(Rebecca Flowers)接受BBC採訪時說: 「看來,大峽谷的岩石大侵蝕發生在雪球冰川作用之前,而加拿大地盾則發生在雪球地球冰川作用期間或之後。」

這表明,地質記錄中的這一巨大的岩層中斷不是單一孤立現象,而是至少為兩個較小的間斷,因為大約發生在同一時間,看起來像同一個大間斷一樣。

2021年早些時候,又出現了一個令人意外的發現。在鮑威爾那次決定性的探險剛剛過去150年,弗勞爾斯和她的同事們回到大峽谷進行了他們自己的調查。他們驚奇地發現:即便是大峽谷消失的10億年岩層,也可能不是同時消失,而是在幾億年時間發生的幾個獨立事件中消失的。

如果遺失的兩組岩石真的是各不相干,這表明其岩石層的遺失根本不是由雪球地球這樣的特殊事件造成的。在這種情況下,弗勞爾斯認為可能是地質構造過程將地殼大幅向上推動而造成。或許也沒有什麼冰川侵蝕的作用,有可能是地殼大幅上升後,高海拔使得沉積物難以沉積成岩石,因此在這個時期就幾乎無岩石層可言。

一個未解之謎

然而,有關地層大角度不整合現象仍沒有定論。爭論仍在繼續中,專家都強調需要更多的數據才能做結論。幸運的是,這可能很快就會改觀。

參與大峽谷地層研究的加州大學聖巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)地質學教授麥克唐納(Francis Macdonald)表示,改變遊戲規則的一項主要技術是一種稱為熱年代學(thermochronology)的技術,是通過測量岩石形成以來的溫度變化來推斷岩石的歷史。

麥克唐納說,「這項技術基本上給了我們一個窗口來找回這段岩層失蹤時間的記錄。」

馬夏克解釋說,「例如,(用較老的年代測定方法),如果有人說他們測定一塊花崗岩的年代,結論有1億年的歷史,他們通常指的是這塊花崗岩是從岩漿冷卻成固體的這個時間。」

「使用熱年代學,你不是測定岩石形成的時間,而是這塊岩石大致在什麼時候被推到地球的表面,這可以披露很多有關遠古時代地球深處發生的未知事件。」

地球到底隱藏了什麼祕密?只有到揭曉時我們才會知道。

(轉自大紀元/責任編輯:葉萍)

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